Spectrométries de pertes d’énergie des électrons dans les solides

Quand un électron d’un faisceau incident extérieur de moyenne ou basse énergie entre en contact avec de la matière condensée, il peut interagir avec celle-ci de deux façons, en cédant de l’énergie au réseau des ions ou aux électrons. Les spectres de pertes d’énergie des électrons rétrodiffusés (ou éventuellement transmis) par une cible solide révèlent des structures caractéristiques liées à l’excitation de phénomènes collectifs ou individuels.

L’énergie du faisceau des électrons incidents (de quelques eV à quelques centaines d’eV) est choisie de façon à rendre maximale la section efficace de l’interaction avec le phénomène que l’on désire mettre en évidence. On peut établir que les électrons incidents doivent avoir au moins trois à quatre fois l’énergie des pertes caractéristiques pour avoir une probabilité raisonnable de les exciter. Ces énergies correspondent à des libres parcours moyens électroniques relativement courts (de l’ordre de quelques nanomètres au maximum), c’est dire que les spectrométries de pertes d’énergie des électrons doivent être considérées comme des techniques spécifiques d’analyse de surface des matériaux.

Les méthodes décrites ici sont non destructives : elles permettent l’identification de composés ou d’éléments chimiques présents à la surface d’un échantillon, principalement au moyen de leur signature vibrationnelle, mais également par leurs autres excitations électroniques caractéristiques : plasmons et transitions interbandes. Ces informations sont essentiellement qualitatives, mais en étalonnant à l’aide d’autres techniques, on a pu établir que, dans le cas du monoxyde de carbone adsorbé sur un métal, la limite de détection est inférieure à 0,001 monocouche (1 monocouche correspond à une densité d’environ 10¹⁴ atomes par cm² de surface).

Contrairement aux autres spectrométries électroniques, la spectrométrie de pertes d’énergie des électrons à haute résolution est très sensible aux éléments légers et en particulier à l’hydrogène. L’analyse d’échantillons isolants est possible en spectrométrie HREELS, moyennant l’utilisation d’un canon à électrons de neutralisation. Cette spectrométrie permet la détermination quantitative des constantes diélectriques et élastiques de surface des échantillons, à partir de l’observation respective de phonons optiques et acoustiques de surface.